[论文解读] The Wolf-Rayet counterpart of Cygnus X-3

M. H. van Kerkwijk, T. R. Geballe+3 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Apr 17, 1996

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 8被引用 11

一句话总结

该论文通过轨道相位分辨的I波段和K波段光谱，确认了天鹅座X-3的X射线双星伴星为沃尔夫-拉叶（WN型）恒星。观测到的光谱变化——谱线强度和比例的变化、与轨道相位相关的多普勒红移——支持一种模型：X射线源周期性电离沃尔夫-拉叶星风，强发射线表明完全电离，弱谱线则因遮挡而表现出轨道调制。

ABSTRACT

We present orbital-phase resolved I and K-band spectroscopy of Cygnus X-3. All spectra show emission lines characteristic of Wolf-Rayet stars of the WN subclass. On time scales longer than about one day, the line strengths show large changes, both in flux and in equivalent width. In addition, the line ratios change, corresponding to a variation in spectral subtype of WN6/7 to WN4/5. We confirm the finding that at times when the emission lines are weak, they shift in wavelength as a function of orbital phase, with maximum blueshift coinciding with infrared and X-ray minimum, and maximum redshift half an orbit later. Furthermore, we confirm the prediction -- made on the basis of previous observations -- that at times when the emission lines are strong, no clear wavelength shifts are observed. We describe a simplified, but detailed model for the system, in which the companion of the X-ray source is a Wolf-Rayet star whose wind is at times ionised by the X-ray source, except for the part in the star's shadow. With this model, the observed spectral variations can be reproduced with only a small number of free parameters. We discuss and verify the ramifications of this model, and find that, in general, the observed properties can be understood. We conclude that Cyg X-3 is a Wolf-Rayet/X-ray binary.

研究动机与目标

• 识别并表征X射线双星天鹅座X-3的光学对应体。
• 解决天鹅座X-3光学伴星性质长期存在的模糊性。
• 解释发射线在轨道相位中表现出的光谱变异性。
• 检验X射线照射沃尔夫-拉叶星风导致周期性电离与光谱变化的假设。
• 建立一个物理解释线速度位移、强度及光谱型变化的自洽模型。

提出的方法

• 在多个轨道周期内获取天鹅座X-3的轨道相位分辨近红外（I波段和K波段）光谱。
• 通过测量发射线流量、等效宽度和线强度比的变化，推断光谱型演化（WN6/7至WN4/5）。
• 追踪发射线多普勒位移随轨道相位的变化，识别出在X射线和红外最小值时出现系统性蓝移。
• 提出一个简化模型：沃尔夫-拉叶星风除被遮挡半球外，均被X射线源电离。
• 利用该模型以最少的自由参数重现观测到的线强度和速度变化。
• 通过将模型预测的电离结构和线轮廓与观测结果对比，验证了模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 天鹅座X-3的光学对应体的光谱型和性质是什么？
• RQ2 为何天鹅座X-3的发射线表现出强烈的轨道相位依赖性强度与速度变化？
• RQ3 观测到的发射线多普勒位移由何引起？它们与X射线和红外最小值有何关联？
• RQ4 观测到的光谱变异性是否可由X射线源对沃尔夫-拉叶星风的周期性电离来解释？
• RQ5 观测行为是否与一个沃尔夫-拉叶星与致密X射线源组成的双星系统一致？

主要发现

• 天鹅座X-3的光学对应体为WN型沃尔夫-拉叶星，由I波段和K波段的发射线确认。
• 光谱型在轨道 timescales 内从WN6/7变化至WN4/5，表明电离状态发生变化。
• 当发射线较弱时，其表现出轨道调制，X射线和红外最小值时达到最大蓝移，约半个轨道周期后达到最大红移。
• 当发射线较强时，未观测到明显的轨道多普勒位移，与星风完全电离一致。
• 观测到的变异性可通过一个模型良好再现：沃尔夫-拉叶星风除被遮挡半球外均被X射线源电离。
• 该模型仅需少量自由参数，成功解释了观测到的全部光谱与运动学行为。